符合阿贝原则的数控机床几何误差建模

为提高现有数控机床空间误差分析方法的准确度,本文基于阿贝原则对齐次转换矩阵(HTM)几何误差补偿模型进行优化。首先,推导出XYFZ型三轴机床适用的HTM几何误差补偿模型并给出模型正确使用的前提条件;然后,基于阿贝原则分析了三轴机床的空间误差传递机理,指出阿贝误差对机床定位精度的影响,给出理论计算公式并在机床运动轴上进行实验验证;最后,基于阿贝原则和布莱恩原则对现有的HTM几何误差补偿模型进行优化,采用该模型拟合体对角线空间误差,并与实测机床体对角线误差进行对比验证。现有HTM几何补偿模型可将机床空间误差由41.15μm补偿至16.37μm,补偿率为60.22%;优化后的补偿模型可将机床空间误差补偿至5.32μm,补偿率为87.07%,提高了26.85%。实验结果表明,优化后的补偿模型更加合理,进一步改善了空间误差的补偿精度。     

基于激光干涉仪的测量机几何误差检定技术

误差补偿技术是提高测量机精度的一项重要技术,其内容包括误差模型的建立、误差检定和误差补偿。针对一种特定结构形式的测量机建立其包含13项原始几何误差的误差补偿数学模型,提出基于激光干涉仪的,针对包括定位误差、直线度运动误差、角运动误差和垂直度误差在内的测量机各单项几何误差的检定方法,并通过数学模型对测量机的测量误差作补偿,由此生成的误差检定模块还可以嵌入到测量机软件中,实现对测量机几何误差的快速检定和反复检定。试验表明,经误差补偿,测量机单轴在176mm测量范围内的最大测量误差由补偿前的0.1399mm减小为0.0017mm。利用该方法检定测量机的几何误差并作误差补偿能够有效地提高测量机精度。     

基于多体运动学的测量机几何误差敏感性分析

针对专用双臂螺旋桨测量机的几何误差问题,提出一种基于多体运动学的几何误差敏感性分析方法,来保证专用双臂螺旋桨测量机的空间几何精度。针对专用双臂螺旋桨测量机结构及几何误差关系,建立了考虑运动几何误差的运动学模型。运用多体运动学理论求解相邻体间的特征变换矩阵,根据测量机装配几何误差和运动几何误差建立测量机空间误差模型。通过运动轴几何误差对螺旋桨测量精度的对比验证,结果表明该算法能实现专用双臂螺旋桨测量机的几何误差敏感性分析。     

多关节坐标测量机的误差模型

按Denavit-Hartenberg方法,建立了多关节坐标测量机末端测头中心相对于机座参考坐标系的测量运动的数学模型。在此基础上,运用矩阵函数的全微分方法,建立起末端测头中心坐标误差与测量运动模型参数误差之间的传递关系。为进一步研究多关节坐标测量机的标定和补偿奠定了理论基础。     

用Renishaw检查规进行三坐标测量机几何误差检测的研究

本文研究了三坐标测量机几何误差的快速检测方法。根据三坐标测量机空间误差与几何误差关系,提出了使用Ｒｅｎ－ｉｓｈａｗ检查规测量几何误差的方法。该方法通过测量ＸＹ,ＹＺ,ＸＺ平面内特定圆周上各点的空间误差,可获得所有２１项几何误差。这种方法精度高,操作方便,仅用２个小时即可完成全部２１项误差的测量。     

五轴数控成形磨齿机几何误差—齿面误差模型及关键误差识别

为了揭示成形磨齿机床几何误差与齿面误差间的定量映射规律,识别影响磨齿精度的关键几何误差,提出一种结合几何误差—齿面误差模型与Morris全局敏感性分析的关键误差识别方法。针对五轴数控成形磨齿机,首先运用齐次变换矩阵建立刀具空间误差模型,并基于共轭磨削原理构建几何误差—齿面误差模型;然后采用Morris全局敏感性分析法量化误差敏感性,识别出关键误差和敏感部件;最后通过关键误差修正仿真和补偿加工实验进行有效性检验。结果表明,该方法能够有效识别磨齿关键误差,而且优于基于刀具空间误差模型的现有识别方法,可为后续敏感部件的精度强化和关键误差精确补偿提供可靠的理论依据,并高效提升磨齿精度。     

五轴加工中心空间误差分析及补偿研究

加工中心精度是影响产品加工精度的最重要因素,误差补偿技术是提高加工中心精度的重要方式。通过分析五轴加工中心的空间误差及建模结果,以TTTRR五轴加工中心为例,建立了综合空间误差模型,为误差补偿打下理论基础;通过研究多种误差补偿技术,提出了一种可以基于建模结果的平动轴几何误差测量新方法,结合旋转轴几何误差的测量结果,最后通过在某台五轴加工中心上进行测量和补偿实验,验证了建模结果的正确性和新位移测量法的有效性。     

基于敏感度分析的曲轴综合测量机关键误差溯源

曲轴综合测量机通过一次装夹可完成对曲轴全部关键参数的精密测量,其测量精度对评定被测曲轴是否合格有着直接的影响,这使得分析该测量机各部件的几何误差对其测量精度的影响成为一个亟待解决的难题。针对上述问题,基于多体系统理论,结合曲轴综合测量机采用板式测头的结构特点,分析了测量机的拓扑结构和误差变换矩阵;基于推导的曲轴连杆颈几何方程,建立测量机的几何误差数学模型;利用矩阵微分法对曲轴回转过程中的各测点进行敏感度分析。结果表明:在21项几何误差中,对测量机X方向上测量精度影响最大的关键误差项主要有6项。通过该方法可有效识别影响曲轴测量精度的关键误差源,进而为误差补偿提供依据。     

激光测量几何误差补偿算法

激光技术作为重要的测量手段,已经被广泛的应用到精密运动控制系统中。激光测量误差直接影响到运动控制系统的控制精度,其中阿贝与余弦误差等几何误差对激光测量精度影响显著,在精密运动控制中必须予以补偿与校正。以精密运动台多维激光测量模型为基础,介绍了阿贝与余弦误差产生原因。在不考虑激光干涉仪的加工和安装误差的情况下,推导了运动台存在倾斜角度下的阿贝与余弦误差计算模型,在此基础上给出了激光测量数据误差补偿模型,以实现测量数据的实时补偿与修正。算法已经成功应用在实例中,表明该算法的有效性与可靠性。     

三轴义齿雕铣机空间误差解耦与补偿研究

针对三轴义齿雕铣机在加工过程中存在空间误差较大、加工精度较低等缺点,提出了一种对空间误差实施解析与补偿的新方法。首先分析机床拓扑结构,利用多体系统理论确定机床低序体阵列和运动学约束链,建立空间误差模型。然后对三轴雕铣机的各项几何误差进行测量并求解其空间误差值,分别计算各项几何误差相对于机床空间误差的相关性系数,以辨识对空间精度影响较大的重要几何误差分量。最后利用线性回归模型建立空间误差与位置的隐射函数,以便建立空间误差补偿模型。以z轴为例,对所建立的误差补偿模型进行实验验证。结果表明通过补偿后z轴空间误差从1. 26 mm降低到0. 735 mm,降幅为41. 7%,义齿加工精度得到了有效的提高,可见该方法有一定的实用价值。     

转台-摆头式五轴机床几何误差测量及辨识

为降低转动轴几何误差对转台-摆头式五轴机床精度的影响,提出了基于球杆仪的位置无关几何误差测量和辨识方法。基于多体系统理论及齐次坐标变换方法建立了转台-摆头式五轴机床位置无关几何误差模型,依据旋转轴不同运动状态下的几何误差影响因素建立基于圆轨迹的四种测量模式,并实现10项位置无关几何误差的辨识。利用所建立的几何误差模型进行数值模拟,确定转动轴的10项位置无关几何误差对测量轨迹的影响。最后,采用误差补偿的形式实验验证所提出的测量及辨识方法的有效性,将位置无关几何误差补偿前后的测量轨迹进行比较。误差补偿后10项位置无关几何误差的平均补偿率为70.4%,最大补偿率达到88.4%,实验结果表明所提出的建模和辨识方法可用于转台-摆头式五轴机床转动轴精度检测,同时可为机床精度评价及几何精度提升提供依据。     

Machining accuracy improvement for a dual-spindle ultra-precision drum roll lathe based on geometric error analysis and calibration

This paper performs a comprehensive analysis and calibration on the geometric error of the ultra-precision drum roll lathe with dual-spindle symmetrical structure and cross slider layout. Firstly, the volumetric error model which contains all geometric errors of the dual-spindle ultra-precision drum roll lathe (DSUPDRL) is developed based on the combination of the homogenous transfer matrix (HTM) and multi-body system (MBS) theory. Secondly, sensitivity analysis for the volumetric error model is conducted to identify the sensitive geometric error components of the DSUPDRL using an improved Sobol method based on the quasi-Monte Carlo algorithm. The result of sensitivity analysis laid the foundation for the subsequent geometric error calibration. Then, some sensitive error components along the X and Z directions are calibrated using a laser interferometer and a pair of inductance displacement probes. Besides the volumetric error model, the concentricity error caused by dual-spindle symmetrical structure is proposed and calibrated by the on-machine measurement using a classic reversal method. Finally, a large-scale roller mold with a diameter of 250 mm and a length of 600 mm is machined using the DSUPDRL after calibration. The experimental result shows that 1.4 μm/600 mm generatrix accuracy is obtained, which validate the effectiveness of the geometric error analysis and calibration.     

考虑热误差的双转台机床工艺误差谱预测方法

五轴数控机床的几何误差和热误差是影响工件加工精度的两个重要因素,对这些误差因素进行分析可以有效提高薄壁件工件的加工精度。本文首先基于齐次坐标变换法,建立了双转台五轴数控机床的旋转轴几何误差模型;然后基于对标准球进行在机接触测量,辩识得出两旋转轴的12项几何误差,这些误差考虑了两旋转轴之间的相互影响和其热误差的影响;最后分析五轴数控机床加工空间的几何误差场,在该加工空间内几何误差从中心到外侧逐渐增加,当A轴旋转角度增加时,误差的最大值也随之增加。与其它位置误差辨识方法相比,本方法的测量精度符合加工要求,测量时间只需要30 min。     

制动主缸补偿孔位置检测误差分析与补偿

针对当前制动主缸补偿孔检测效率低、精度低、成本高等技术现状,提出了一种集光、机、电于一体的高性能精密检测系统,分析了该系统所涉及的补偿孔几何中心位置检测误差并进行补偿。通过对误差来源的分析,揭示了制动主缸补偿孔位置检测过程的误差解算方法。基于该解算方法,利用增量式误差补偿方法构建了误差补偿模型,并进行补偿孔检测与误差补偿实验。实验结果表明,系统竖轴误差对补偿孔直径检测数据的影响较小,而对补偿孔位置检测数据的影响则由补偿孔与基准面的相对位置决定。补偿孔与基准面距离越远,误差越大。实验数据显示,在型号为ZDZG-20.64的被试件中,被测补偿孔位置精度分别提高0.05 mm和0.254 mm;在型号为ZDZG-22.2的被试件中,被测补偿孔位置精度分别提高0.044 mm和0.072 mm。该误差模型及补偿方法能够有效提高制动主缸补偿孔的检测精度。     

Simultaneous geometric error identification of rotary axis and tool setting in an ultra-precision 5-axis machine tool using on-machine measurement

This paper presents a method to identify the position independent geometric errors of rotary axis and tool setting simultaneously using on-machine measurement. Reducing geometric errors of an ultra-precision five-axis machine tool is a key to improve machining accuracy. Five-axis machines are more complicated and less rigid than three axis machine tools, which leads to inevitable geometric errors of the rotary axis. Position deviation in the process of installing a tool on the rotary axis magnifies the machining error. Moreover, an ultra-precision machine tool, which is capable of machining part within sub-micrometer accuracy, is relatively more sensitive to the errors than a conventional machine tool. To improve machining performance, the error components must be identified and compensated. While previous approaches have only measured and identified the geometric errors on the rotary axis without considering errors induced in tool setting, this study identifies the geometric errors of the rotary axis and tool setting. The error components are calculated from a geometric error model. The model presents the error components in a function of tool position and angle of the rotary axis. An approach using on-machine measurement is proposed to measure the tool position in the range of 10 s nm. Simulation is conducted to check the sensitivity of the method to noise. The model is validated through experiments. Uncertainty analysis is also presented to validate the confidence of the error identification.     

在机测量激光测头位姿的线性标定

针对在机激光扫描测量中激光测头安装位置和姿态引起的测量误差,提出了一种适用于在机激光测量的测头标定方法。构造了在机激光扫描测量原型系统,建立了激光测头随机床运动的测量模型;通过多角度扫描标准球球面拟合球心,给出了一种线性求解测头安装位姿参数的算法,避免了非线性优化求解中的大量计算和不稳定问题。分析了测量过程中机床各个轴的运动误差对测量结果的影响,建立了误差模型,并给出补偿机床系统误差的方法。实验显示,对直径已知的标准球进行测量时,测头在不同摆角测得的标准球直径误差小于0.05 mm,误差补偿后球心位置误差减小了83%。实验结果验证了该标定方法的可行性,以及机床误差对测量精度影响的模型及补偿方法的正确性。     

Error measurement and assemble error correction of a 3D-step-gauge

A new artifact called 3D-step-gauge consisting of a pyramid array and a compound, is proposed to calculate geometrical errors for machine tools. Only one point on each profile of the pyramid in the array is probed, and its center coordinate can be calculated. Then, the intervals of the pyramids can be transfered a length standard to measure errors. Considering the differences in the structural parameters and the location of the pyramids, a volumetric error measurement method of discrete points is presented. Furthermore, the location errors between the calibration state and the measurement state are studied and their influences on the accuracy of the position measurement are investigated on an actual machine tool. The 3D-step-gauge was tested on an actual machine tool and the measurement result shows quick assembly, convenient measurement, and high accuracy.     

[误差建模及精度保证方法]卧式加工中心关键几何误差元素甄别方法

以某卧式加工中心为研究对象,通过定义机床各部件局部坐标系间初始位置特征矩阵和初始位置误差特征矩阵,构建机床空间误差完备模型,解决传统建模方法中若干项几何误差元素缺失的问题。借助体对角线定位精度测量实验,对所建完备模型准确性进行验证,进而在此基础上提出几何误差元素实际参预度的概念及其计算方法,并由此形成基于空间误差完备模型和实际参预度的关键几何误差元素辨识新方法。分别根据计算所得实际参预度和灵敏度,对给定加工中心关键几何误差元素进行甄别。对比分析显示,相较于传统灵敏度分析,所提基于实际参预度的甄别方法具有更高的准确性。甄别结果表明,该加工中心关键几何误差元素有7项,且均与位置相关,与X轴进给相关的关键几何误差元素有4项,说明机床X轴运动组件制造精度可能存在较大缺陷。     

基于敏感度分析的机床关键性几何误差源识别方法

零部件几何误差耦合而成的机床空间误差是影响其加工精度的主要原因,如何确定各零部件几何误差对加工精度的影响程度从而经济合理地分配机床零部件的几何精度是目前机床设计所面临的一个难题。基于多体系统理论,在敏感度分析的基础上提出一种识别关键性几何误差源参数的新方法。以一台四轴精密卧式加工中心为例,基于多体系统理论构建加工中心的精度模型,并利用矩阵微分法建立四轴数控机床误差敏感度分析的数学模型,通过计算与分析误差敏感度系数,最终识别出影响机床加工精度的关键性几何误差。计算和试验分析表明,该方法可以有效地识别出对机床综合空间误差影响较大的主要零部件几何误差因素,从而为合理经济地提高机床的精度提供重要的理论依据。